Optical layout of the imaging objective within a laboratory spectrometer
Оптическая схема изображающего объектива в составе лабораторного спектрометра
Предложена и проведена оптимизация оптической схемы светосильного изображающего объектива в составе лабораторного спектрометра. Оптическая схема объектива была разработана в двух вариантах – предварительно с применением асферических поверхностей на двух элементах и без использования таких поверхностей. Оптимизация обеих вариантов оптической схемы объектива позволила существенно улучшить их оптические характеристики и уменьшить основные аберрации системы. Предложенная схема объектива без использования асферических поверхностей на двух оптических элементах существенно более технологична в изготовлении и позволяет сохранить основные оптические параметры, такие как размеры пятна рассеяния и концентрацию энергии в пятне на достаточно хорошем уровне. Полученные характеристики спектрометра в совокупности с качеством изображающего объектива позволили полностью удовлетворить необходимым параметрам регистрации спектров в спектральном диапазоне 0,4 – 1,0 мкм с высоким разрешением.
The optimization of the optical design for a high-aperture imaging objective intended for use in a laboratory spectrometer is proposed and carried out. Two versions of the objective's optical design were developed: one incorporating aspheric surfaces on two elements and another without such surfaces. Optimizing both versions significantly improved their optical characteristics and reduced the system's primary aberrations. The proposed design—which avoids the use of aspheric surfaces on two optical elements—is considerably easier to manufacture while maintaining key optical parameters, such as spot size and energy concentration within the spot, at a sufficiently high level. The resulting spectrometer characteristics, combined with the quality of the imaging objective, fully met the requirements for high-resolution spectral recording in the 0.4–1.0 µm range.
изображающий светосильный объектив, объектив Русинова, аберрационный и габаритный расчет.
high-aperture imaging objective, Rusinov objective, aberration and dimensional analysis.
Введение
При выполнении различного рода задач анализа земной атмосферы или дистанционного зондирования Земли со спутника в целях картографирования земной поверхности необходима предварительная постановка лабораторных экспериментов по разработке и тестированию оптических компонентов, спектральных приборов и оптико-электронных комплексов [1-4]. Оснащение орбитальных комплексов оптическими системами спектрального анализа и наблюдения обычно основано на использовании приемного двух или трехзеркального телескопического объектива в составе с инфракркасным фурье – спектрометром [5-8]. Съемка местности на небольших высотах с борта самолета, вертолета или наземная в случае сильно пересеченного ландшафта требует использования широкоугольного короткофокусного объектива, обладающего высокой глубиной резкости.
В настоящей работе проведен анализ и оптимизация короткофокусного изображающего объектива, обеспечивающего в составе со спектрометром проводить мультиспектральную съемку местности в диапазоне длин волн 0,4 – 1 мкм на небольших высотах с высоким разрешением.
Теоретическая часть.
Расчет объектива будем проводить по методу синтеза Русинова [9 — 11]. Такой метод состоит в сочетании телеконцентрической афокальной системы и положительной линзы с апланатической поверхностью. В этом случае полученная система позволяет устранить астигматизм, кому и сферические аберрации.
Структурная схема, состоящая из компонентов 1и 2, образующих телескопическую афокальную систему и фокусирующего элемента 3 показана на рисунке 1.
Рис. 1. Структурная схема объектива, построенного по методу Русинова.
В передней фокальной плоскости фокусирующего элемента 3 расположена апертурная диафрагма.
Синтез оптической схемы изображающего объектива
В качестве исходных параметров для расчета были выбраны значения, приведенные в таблице 1.
Таблица 1
Параметры для расчета объектива
| Входной зрачок | 6 мм |
| Спектральный диапазон | 0.4-1.0 мкм |
| Угловое поле 2w | 34 градусов |
| Фокусное расстояние | 20 мм |
Синтез изображающего объектива в его первоначальном виде был проведен в программе ZEMAX. В процессе оптимизации, согласно габаритному расчету, был уменьшен входной зрачок, а также заменены материалы линз, что позволило добиться меньших значений аберраций системы. На рисунке 2 показан ход лучей в оптической системе после проведения оптимизации.
Рис. 2. Оптическая схема широкоугольного объектива с угловым полем 340.
Дальнейшая оптимизация полученного объектива проводилась на основе достижения лучших показателей технологической сборки и юстировки системы. Для этого отдельные линзы в схеме рисунка 2 были заменены на склейки и после нескольких этапов оптимизации удалось добиться хорошего показателя передачи контраста. Кроме того, были исправлены хроматизм, дисторсия, а также кривизна поля в пространстве изображений. В таблице 2 приведены значения основных аберраций, а на рисунке 3 показана оптическая схема полученного объектива с ходом лучей.
Таблица 2.
| Параметр | Значение |
| 1. Продольная сферическая аберрация | -0.036 мм |
| 2. поперечная сферическая аберрация | 5.4 мкм |
| 3. Дисторсия | 0.16% |
| 4. Астигматизм | -0.026 мм |
| 5. Меридиональная кома | 3.15 мкм |
| 6. Хроматизм положения | -0.051 мм |
| 7. Хроматизм увеличения | -0.015 мкм |
| 8. Сферохроматизм | 0.0027 мм |
Рис. 3. Оптическая схем полученного объектива после оптимизации.
Качественная оценка изображения, сформированного на плоскости приемной матрицы дается графиком распределения энергии в пикселе. Функция рассеяния в дифракционном пятне показана на рисунке 4. В полученной нами системе пятно рассеяния вписывается не в один пиксель, а в два и по форме оказывается искаженным (размеры пикселя приемной матрицы 5*5 мкм). Один из возможных путей уменьшения пятна рассеяния до дифракционных пределов в нашем случае было бы использование асферической поверхности у линзы Смита (шестой элемент оптической схемы). Однако это привело бы к существенному технологическому усложнению изготовления объектива. В то же время разработанная оптическая схема со сферическими поверхностями линз вполне соответствует заданным параметрам съемки местности при разработке отвечающей ей схеме спектрометра [12-15].
Рис. 4. Диаграмма пятна рассеяния изображающего объектива, приведенного на рисунке 3.
Заключение
В результате анализа оптических схем и синтеза объектива по методу Русинова был разработан короткофокусный изображающий объектив с хорошим качеством изображения и малыми аберрациями. Объектив в составе со спектрометром представляет собой систему мультиспектральной съемки местности как с борта летательного аппарата, так и при наземной экспедиции с борта транспортного средства при работе в горной и сильно пересеченной местности.
References
1. Беляев Б. И., Катковский Л. В., Сосенко В. А., Беляев Ю.Б. Наземные и полетные калибровки авиакосмической аппаратуры дистанционного зондирования Земли //Наука и инновации. 2016, №4 (158). С. 21–25.
2. Расторгуев, А.А. Моделирование распределения освещённости в плоскости регистратора космического гиперспектрометра, основанного на схеме Оффнера /А.А. Расторгуев, С.И. Харитонов, Н.Л. Казанский. Компьютерная оптика. – 2017. – Т. 41, № 3. – С. 399-405. – DOI: 10.18287/2412-6179-2017-41-3-399-405.
3. Расторгуев, А.А. Моделирование допустимых погрешностей расположе-
ния оптических элементов для космического гиперспектрометра, проектируемого по схеме Оффнера / А.А. Расторгуев, С.И. Харитонов, Н.Л. Казанский // Компьютерная оптика. – 2018. – Т. 42, № 3. – С. 424-431. – DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-3-424-431.
4. Кириченко Д.В., Глущенко А.А., Маслов К.К., Упитис К. И. Моделирующий стенд для испытаний бортовых ОЭС МКА с использованием средств имитации фоноцелевой обстановки. ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 4, с. 78-81.
5. Владимиров В.М., Юксеев В.А., Лапухин Е.Г. Оптическая система для дистанционного зондирования в УФ-, видимом и ближнем ИК диапазонах. Компьютерная оптика, 2020, т. 44, №2 с. 195 – 203. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-611.
6. Гарбук С. В., Гершензон В. Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. — М.: Изд-во А и Б, 1997. — 296 с.
7. Кашкин В. Б., Сухинин А. И. Дистанционное зондирование Земли из космоса: цифровая обработка изображений. — М.: Логос, 2001. — 264 с.
8. Чандра А. М., Гош С. К. Дистанционное зондирование и географические информационные системы. М.: Техносфера, 2008. 312 с.
9. Русинов М.М. Композиция оптических систем- Ленинград. Машиностроение. Ленинградское отделение. 1989. – 383 с.
10. Михельсон, Н.Н. Оптика астрономических телескопов и методы расчета / Н.Н. Михельсон. – М: Физматлит, 1995. – 333 с.
11. Пейсахсон И. В. Оптика спектральных приборов: Физика, оптика. Л.: Машиностроение, 1975. 312 с.
12. Головин, А. Д., Дёмин А. В. Имитационная модель многоканального гиперспектрометра Оффнера //Компьютерная оптика. 2015. Т. 39, № 4. С. 521—528.
13. Горбунов Г. Г., Демин А. В., Никифоров В. О., Савицкий А. М., Скворцов Ю. С., Сокольский М. Н., Трегуб В. П. Гиперспектральная аппаратура для дистанционного зондирования Земли // Оптич. журн. 2009. Т. 76, № 10. С. 75—82.
14. Головин, А. Д., Дёмин А. В. Малогабаритный гиперспектрометр видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2015. Т. 58, № 11. DOI: 10.17586/0021-3454-2015-58-11-869-873.
15. Prieto-Blanco X. González-Nuñez H, de la Fuent R. Off-plane anastigmatic imaging in Offner spectrometers. // Journal of the Optical Society of America – 2011. – Vol. 28, Issue 11. – P. 2332-2339.